- •Часть II
- •1. Лазерный нагрев материалов 6
- •2. Лазерное разрушение поглощающих материалов 83
- •3. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред 121
- •Введение
- •1. Лазерный нагрев материалов
- •1.1. Общая характеристика нагревания лазерным излучением
- •1.1.1. Тепловые эффекты в конденсированных средах
- •1.1.2. Основные особенности температурной кинетики при лазерном воздействии
- •1.1.3. Теплопроводностные механизмы отвода тепла. Уравнение теплопроводности, начальное и граничные условия
- •1.2. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев
- •1.2.1. Термомеханические эффекты
- •1.2.2. Фазовые переходы в твердом состоянии (лазерное упрочнение)
- •1.2.3. Эмиссионные процессы
- •1.2.4. Основные особенности лазерной активации процессов аррениусовского типа
- •1.2.5. Диффузионно-химические явления
- •1.2.6. Лазерное плавление поверхности
- •1.2.6.1. Вакансионная модель плавления.
- •1.3. Линейные режимы лазерного нагрева.
- •1.3.1. Нагрев полупространства экспоненциально спадающим с глубиной тепловым источником.
- •1.3.2. Нагрев металла импульсным излучением постоянной мощности
- •1.3.3. Нагрев материала лазерным пучком с гауссовым профилем
- •1.3.4. Нагрев материала постоянным лазерным излучением, луч сфокусирован в пятно круглого сечения.
- •1.3.7. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле.
- •1.3.8. Особенности нагрева материала движущимся световым пятном.
- •1.4. Нелинейные режимы лазерного нагрева.
- •1.4.1. Нагрев с учетом температурной зависимости поглощательной способности.
- •1.4.2. Нагрев окисляющихся металлов лазерным излучением. Термохимическая неустойчивость
- •1.4.3. Экзотермические эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы
- •2. Лазерное разрушение поглощающих материалов
- •2.5. Общая характеристика механизмов лазерного разрушения
- •2.1. Механическое низкотемпературное разрушение хрупких материалов.
- •2.1.1. Разрушение упругими напряжениями.
- •2.1.2. Разрушение остаточными напряжениями.
- •2.2. Химические механизмы разрушения
- •2.3. Высокотемпературные механизмы с участием испарения
- •2.4. Поляритонный механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа
- •2.5. Лазерное испарение.
- •2.5.1. Кинетика испарения плоской поверхности.
- •2.5.1.1. Испарение в вакуум и среду с противодавлением
- •2.5.1.2. Температурная граница перехода от нагрева к испарению
- •2.5.2. Теплофизика перехода от нагрева к испарению
- •2.5.3. Одномерная задача о лазерном нагреве с испарением.
- •2.5.3.1. Установление стационарного режима. Определение квазистационарных параметров.
- •2.5.3.2. Зависимость температуры и скорости лазерного разрушения от плотности светового потока.
- •2.5.4. Вытеснение расплава избыточным давлением паров
- •2.6. Свойства лазерного пара и плазмы, их влияние на процесс разрушения
- •3. Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред
- •3.1. Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков
- •3.1.1. Оптический пробой газов
- •3.1.1.1. Многофотонная ионизация
- •3.1.1.2. Лавинная ударная ионизация
- •3.1.2. Оптический пробой идеально чистых твердых тел
- •3.1.2.1. Туннельное поглощение; переход Мотта диэлектрик-металл.
- •3.1.3. Роль вынужденного рассеяния Мандельштама Бриллюэна
- •3.2. Тепловой механизм оптического пробоя реальных сред
- •3.2.1. Роль микронеоднородностей в зарождении поглощения и пробое
- •3.2.1.1. Оптические свойства реальных оптических материалов и покрытий
- •3.2.1.2. Основные экспериментальные закономерности и особенности оптического пробоя и разрушения оптически неоднородных сред
- •3.2.2. Механизмы инициирования объемного поглощения в первоначально прозрачной среде
- •3.2.3. Тепловая неустойчивость
- •3.2.4. Статистическая концепция оптического пробоя
- •3.2.5. Размерная зависимость порогов пробоя
- •Контрольные вопросы Список рекомендуемой литературы История кафедры
- •Галина Дмитриевна Шандыбина Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика).
2.5.1.2. Температурная граница перехода от нагрева к испарению
Энергетическим критерием начала испарения при лазерном нагревании является та мощность, при которой этот процесс начинает играть существенную роль в разрушении материала. Это произойдет тогда, когда энергозатраты на испарение будут не менее 0,1 затрат на нагрев металла
(2.22)
Температурную границу начала разрушения материала можно установить следующим образом. Очевидно, что каждый индивидуальный акт испарения приводит к уменьшению теплового потока, падающего на материал, так как он расходуется на сообщение твердому телу удельной теплоты испарения, т.е.
С учетом (.21) и (.22), при получим
(2.23)
В (.23) принято, что температура поверхности определяется без учета затрат на испарение, когда весь лазерный поток расходуется на нагрев металла за счет теплопроводности
,
где – длительность лазерного импульса; – температура поверхности металла, которая достигается к концу лазерного импульса.
Из (.23) следует, что в общем случае температура начала испарения определяется энергетическими и временными характеристиками лазерного импульса .
2.5.2. Теплофизика перехода от нагрева к испарению
Физически ясно, что испарение может происходить при любой температуре выше абсолютного нуля, причем интенсивность процесса испарения (число молекул или атомов, покинувших твердую фазу) растет с ростом температуры. Однако движение фронта испаряемого вещества в глубь материала будет отличным от нуля только тогда, когда процесс испарения преобладает над процессами конденсации из обратного потока, образующегося при столкновении атомов (молекул) пара между собой и с атомами (молекулами) окружающей среды. По этой причине за верхнюю границу стадии нагревания можно принять температуру , при превышении которой образующиеся пары испаряемого вещества начинают расширяться под действием избыточного давления. Из условия достижения температуры на поверхности материала к концу импульса лазерного излучения можно рассчитать пороговую плотность пучка (.23), при которой начинается разрушение материала.
Очевидно, что изменение температуры на поверхности металла будет зависеть от времени и, в значительной мере, будет определяться соотношением плотностей мощности поглощенного потока и тепловых потерь , главным образом энергии, необходимой для испарения металла, т.е. соотношением величин и .
Скорость испарения достигает своего максимального значения при стационарной температуре испарения, когда скорость фазовых границ плавления и испарения совпадают.
Изменение температуры поверхности можно при этом представить качественно следующим образом (рис. .5)
Когда потери теплового источника (лазера) на испарение незначительны ( ), температура поверхности
Рис. 2.5. Изменение температуры на поверхности под действием лазерного излучения. 1 – изменение температуры поверхности металла без учета фазового перехода твердое тело – расплав – пар, 2 – реальное изменение температуры с учетом испарения.
С увеличением времени воздействия лазерного излучения на металлы становятся существенными затраты на испарение, рост температуры поверхности замедляется. С течением времени температура поверхности приближается к температуре стационарного испарения , а удельный тепловой поток, уносимый паром к . Испарение становится квазистационарным. В глубь вещества распространяется волна испарения, скорость которой стремится к стационарной . Так как скорость волны нагревания постепенно уменьшается, то спустя время волна испарения догонит тепловую волну нагрева, после чего роль теплопроводности будет сводиться лишь к установлению распределения температуры перед стационарным фронтом испарения. Таким образом, в течение действия лазерного импульса изменяется и температура материала, и скорость движения межфазной границы, то есть процесс существенно нестационарен. В более общей модели испарения эту первоначальную стадию теплового разрушения материала приходится учитывать.